[pt] Esta Dissertação de Mestrado apresenta uma metodologia para analisar transformadores para instrumentos (TI) em geral, e vários tipos de transformadores de corrente (TC-s) para medição. O funcionamento e as características dos transformadores de potencial (TP-s) e dos TC-s estão sendo analisados, usando-se as ferramentas tradicionais (circuito equivalente e representação fasorial). O tratamento generalizado facilita a comparação entre TP-s e TC-s e a análise qualitativa dos parâmetros que influenciam os erros de relação e de ângulo de fase.Após verificação geral, quatro tipos de TC-s estão sendo estudados detalhadamente. Para analisar construções eletromagnéticas mais complexas, um método não tradicional está sendo aplicado. Usando-se as representações fasoriais,realiza-se o cálculo baseando-se nas equações elétricas e nas equações magnéticas. O erro complexo do TC é o resultado das soluções destas equações, e vem expresso em função dos parâmetros de construção. Os resultados facilitam comparar o desempenho de vários tipos de TC-s existentes e/ou a serem projetados. Um programa de simulação, utilizando a linguagem C no ambiente LabWindows/CVI - C for Virtual Instrumentation (National Instruments), foi desenvolvido com base nas equações para o cálculo do erro. O programa analisa o comportamento de 4 tipos de TC-s, existentes e/ou a serem projetados, quanto ao erro de relação e ao ângulo de fase. A partir do tipo de material, da dimensão do núcleo e do tipo de enrolamentos, em modo interativo, pode-se escolher várias combinações dos parâmetros em etapas repetidas. A eficiência do método aplicado foi verificada e comprovada. Os resultados são coerentes e quando usados no programa de simulação, resultam em um novo método para analisar, projetar ou escolher um TC para uma finalidade específica. / [en] This dissertation for a master degree presents a methodology to analyse Instrument Transformers in general terms and several types of Current Transformers (CT`s) for measurements, in details.At first, operation and characteristics of Potential Transformers (PT` s) and that of CT` s are analysed, using traditional tools (as equivalent circuits and fasorial representation). The generalised treatment facilitates the comparison between PT` s and CT` s as well as a qualitative analysis of the parameters influencing the ratio and phase errors. After giving a general view, four types of CT` s are studied in details. To analyse complex electromagnetic constructions, a non-traditional method is applied. By using fasorial representations, calculus is based on defining separate groups of electrical and magnetic equations to describe a device. The result of the solution of this set of equations is the complex error of the CT, which is being expressed exclusively in terms of parameters of the construction. The results facilitate the comparison of the performance of various types of CT` s, that exist or are to be designed. A simulation program, using language C, in the ambient of LabWindows/CVI - C for Virtual Instrumentation (National Instruments), was developed, in order to calculate the errors, based upon the equations obtained. The program is capable of specifying the parameters and analysing the characteristics of four types of CT` s, representing finally the ratio and phase errors, in terms of the variation of the current or that of the load. Characteristics of various magnet ic materials, dimensions ofstandardized toroidal cores and that of wires can be specified, stored and selected thereafter. The program facilitates experimenting with various combinations of parameters in an interactive mode and to approximate optimised constructions in iterative steps. Efficiency of the method was verified and proved. The results are coherent and when are used in the simulation program, represent a new method to analyse an existing CT or to design a new one, or to select the most adequate model for a specific purpose.

[pt] Face à complexidade da matriz energética brasileira e em particular de todo o sistema elétrico de potência interligado, torna-se imprescindível garantir que os equipamentos instalados, desde a geração até os consumidores finais, operem em condições satisfatórias e em elevados níveis de confiabilidade. De acordo com a reestruturação do setor e sua inserção em um mercado competitivo, além da elevada confiabilidade exigida, o novo conceito de disponibilidade dos equipamentos e sistemas impõe mais qualidade e planejamento no mercado de energia elétrica. Neste contexto, as empresas de energia elétrica preocupam-se cada vez mais em manter seus equipamentos em boas condições de operação para que tais metas sejam alcançadas. Entre os equipamentos elétricos de potência, os transformadores sem dúvida correspondem ao ativo de maior importância por serem os mais caros e complexos em termos funcionais. A Análise de Gases Dissolvidos no óleo mineral isolante (AGD) é uma ferramenta de diagnóstico de grande aceitação e potencial na detecção de faltas em equipamentos elétricos com isolação papel-óleo, sobretudo nos transformadores de potência. Com o objetivo de fornecer maiores subsídios aos gestores de manutenção na tomada de decisões quanto à intervenções em transformadores, o trabalho desenvolvido propõe um Sistema de Apoio à Decisão composto por um módulo de Inteligência Computacional (IC) que utiliza regras fuzzy para efetuar o diagnóstico do equipamento em conjunto com outro módulo de apoio à decisão que considera as características do transformador e outros parâmetros de influência, fornecendo, além do diagnóstico, recomendações para a tomada de decisão pelos gestores de manutenção. / [en] Given the complexity of the Brazilian energy matrix and in particular of the whole interconnected electrical power system, it is essential to ensure that the equipment, from generation to final consumers, operates in a satisfactory way and high levels of reliability. In accordance with the restructuring of the sector and its integration in a competitive market, in addition to the high reliability required, the new concept of availability of equipment and systems requires more planning and quality in the market of electrical energy. In this context, electrical power companies are increasingly concerned about maintaining their equipment in good operating conditions so that the above targets are attained. Within electrical equipments, power transformers are undoubtedly the most important asset, since they are the most expensive and complex in functional terms. Dissolved Gases Analysis in insulating mineral oil (DGA), is a widely accepted tool for detecting faults in electrical equipments with paper-oil insulation, particularly in power transformers. With the aim of providing more subsidies to maintenance managers when making decisions on interventions in power transformers, this work proposes a Decision Support System composed of a module of Computational Intelligence (CI) which uses fuzzy rules to diagnose the equipment, together with another decision-support module, which considers the power transformer features and other parameters in order to help managers in the decision making process.

[pt] O novo cenário competitivo, inaugurado com a reformulação do Setor Elétrico Brasileiro, impõe a seus agentes, principalmente as concessionárias de energia elétrica, a necessidade de ferramentas que os possibilitem gerenciar melhor seus recursos. No caso específico dos ransformadores de potência, ativos cujo investimento inicial é muito elevado,a otimização do retorno financeiro envolve o balanço adequado entre as receitas advindas da energia por ele transportada e os custos decorrentes da depreciação real, principalmente os relacionados à perda de vida útil do transformador como resultado da exposição do isolamento sólido a níveis de temperatura prejudiciais. A presente dissertação propõe o emprego de um modelo para previsão de séries temporais, aplicado a séries de elevação de temperatura do enrolamento de transformador de potência, combinando modelos lineares e Redes Neurais Artificiais. São revistos e analisados os principais métodos lineares de previsão baseados em variáveis explicativas, sendo estes, juntamente com o modelo proposto,aplicados à previsão da elevação de temperatura de transformadores reais. Os resultados obtidos comprovam o efeito sinérgico conseguido com a combinação de modelos lineares com Redes Neurais. / [en] The new competitive scenario, that came up as result of the restructuring of the Brazilian Electric Energy Sector, imposes to its agents the need of tools suitable for better resource management. On the specific case of power transformers, which represent one of the most important investment items, the optimal payback involves a suitable balance between revenues related to the energy transported and the actual depreciation costs, mainly those related to the loss of the transformer s useful life, due the degradation of solid insulation by temperature. The present dissertation proposes a time series model, applied to power transformer winding temperature rise forecasting, which combines linear models and artificial neural networks. The main linear forecast methods based on explanatory variables are revised and analyzed, and, together with the proposed model, applied to temperature forecast on real transformers. The results confirm the synergic effect obtained when using linear models with artificial neural networks.

[pt] As sobretensões transitórias provocadas pela energização de transformadores em sistemas trifásicos de alta tensão merecem especial atenção em um estudo de coordenação de isolamento devido ao alto valor que estas tensões podem atingir num espaço de tempo de alguns segundos. Estas tensões podem apresentar ressonância em uma ampla faixa de freqüências harmônicas. Neste Trabalho são analisadas condições de ressonância procurando prever a ocorrência de sobretensões muito elevadas. Os capítulos 2 e 3 apresentam aspectos teóricos concernentes ao problema em estudo, destacando os princípios físicos e os algoritmos matemáticos de solução de redes lineares, com atenção especial ao desenvolvimento de funções em série de Fourier, visando determinar o conteúdo harmônico das mesmas. Os capítulos 5 e 6 apresentam simulações de energização realizadas através de programas digitais de transitórios eletromagnéticos e determinação de coeficientes de Fourier. Foram realizadas análises paramétricas para verificação da influência do tipo de ligação dos enrolamentos, instante de chaveamento e fluxo residual nos espectros de tensão e correntes obtidos durante a energização de um transformador de 600 MVA - 500/138 KV. / [en] Transient overvoltages involving transformer energization, in three phase HV systems, deserve special attention in insulation coordination studies due to the very high values that voltages can reach in a period of a few seconds. Some resonant effects can possibly occur due to harmonics in the magnetizing inrush current. The objective of the present study is to analyse resonant conditions with a view to foreseeing the occurrence of very high overvoltages. Chapters 2 and 3 show the physical principles involved and the solution algoritms of linear networks, with special attention to the representation of functions in convergent fourier series, in order to find their harmonic content. Chapter 5 and 6 show digital simulation of transformer energization by means of the EMTP program. The results thus obtained vere submitted to harmonic analysis by digital calculation of Fourier coefficients. Parametric analysis were made to find the influence of transformer connections, switching time, and presence of remanent flux; in voltage and current spectrum obtained by energization of a 600 MVA - 500/138 KV transformer

[pt] O dimensionamento de equipamentos sobressalentes se mostra como importante ferramenta de análise de investimento para o projeto e planejamento da operação e manutenção de qualquer sistema de grande porte. Não sendo diferente no que contempla o sistema de distribuição elétrica no cenário brasileiro. Os sistemas de distribuição, regulados pela Agência Nacional de Energia Elétrica, precisam fornecer energia de forma segura, estável e com índices de defeito extremamente baixos, tornando-se cabíveis punições monetárias no caso de descumprimento das normas estabelecidas. Um dos pontos de maior sensibilidade em um sistema de distribuição são as subestações existentes no mesmo, onde os defeitos impactam um número elevado de consumidores, além de possuir equipamentos de grande custo de aquisição. A redundância em sistemas desse porte poderia reduzir consideravelmente as falhas, mas demandaria um investimento inicial muito elevado. Sendo assim, a existência de estoque estratégico torna-se relevante, visando diminuir a duração das falhas com o menor investimento possível. Os transformadores apresentam grande relevância em uma subestação, sendo possível a análise de estoque de unidades fixas, que atenderiam apenas uma localidade ou região, e o estoque de unidades móveis, que poderiam atender, ainda que em caráter provisório, diferentes regiões atingidas. Esta dissertação apresenta uma metodologia probabilística para a definição da estratégia de dimensionamento dos estoques de equipamentos reservas ao longo do tempo, dando enfoque às unidades móveis, sendo possível avaliar a confiabilidade do sistema, comparar os investimentos e custos operacionais de diferentes cenários. Permite também que sejam consideradas questões importantes, como o envelhecimento dos equipamentos, o aumento da carga com características diferentes para cada unidade a possibilidade de transferência de carga de uma unidade avariada para outra em funcionamento. Essas premissas proporcionam dados mais precisos para análise de investimentos, por considerar as condições individuais dos equipamentos. A ferramenta básica de análise será a simulação Monte Carlo cronológica, de modo a capturar precisamente todas as características do problema em questão. A metodologia acima proposta é aplicada a um grupo de transformadores da classe 138-13,8 kV, 25 MVA, visando demonstrar a capacidade da metodologia de encontrar as soluções condizentes do ponto de vista técnico e econômico. / [en] The sizing of equipment spares is an important investment analysis for the design and planning of the operation and maintenance of any large system. These concepts can also be applied to electric distribution systems of the interconnected Brazilian network. Distribution systems, regulated by the Brazilian Electricity Regulatory Agency, need to supply energy in a secure, stable, and extremely low fault rate, making monetary penalties possible in case of non-compliance with established standards. One of the most sensitive points in a distribution system is its current substations, where failures impact a large number of consumers, besides having relatively high-cost equipment. Redundancy in systems of this type could considerably reduce failures, but would require a very high initial investment. Thus, the need of a strategic inventory becomes relevant, aiming to reduce the duration of the failures with the least possible investment. Transformers are of great importance in an electric power station, whose spare requirements are usually assessed, but would only serve a locality or region, while the stock of mobile units, although on a temporary basis, would serve to different affected regions. This dissertation presents a probabilistic methodology for assessing of spare transformer requirements and the associated inventory acquisition strategy over time, focusing on mobile units. It includes the evaluation of reliability indices and comparison of investment and operational costs for different scenarios. It also allows important issues to be considered, such as equipment aging, load increasing with different characteristics for each unit, and the possibility of load transfers from one faulty unit to another in operation. These assumptions provide more accurate input data for investment analysis, considering the individual conditions of equipment. The basic tool to be used is the chronological Monte Carlo simulation that accurately captures all characteristics of the problem being solved. The proposed methodology is applied to a group of transformers of the class 138-13.8 kV, 25 MVA, aiming to demonstrate the ability of the proposed method to find the appropriate solutions from a technical and economic points of view.

[pt] Transformadores de guia de onda são amplamente empregados no projeto de componentes em onda guiada e são encontrados em praticamente todas as cadeias alimentadoras de antenas e demais estruturas de onda guiada na faixa de microondas. Embora a teoria de transformadores seja conhecida, os requisitos de ordem sistêmica têm levado os projetos de transformadores de guia de onda ao seu limite. Para tal nível de exigência, e considerando o número de variáveis no projeto de transformadores, técnicas numéricas de análise (tais como FDTD e expansão modal dentre outros), e otimização têm sido obrigatoriamente empregadas. Por outro lado, o número de variáveis de um transformador, acaba sendo um processo de alto consumo de tempo computacional, incoerente com o porte e objetivo de custo desses transformadores. Este trabalho propõe uma possibilidade alternativa para a análise mais rápida para essas estruturas, através do emprego de formulações fechadas derivadas de métodos varacionais. Um modelo heurístico é proposto para o caso de descontinuidades em dois planos, sejam para o caso de descontinuidades homogêneas ou para não-homogêneas. / [en] Waveguide transformers are widely used on antenna’s feeder chains and other microwave devices. Although the theory of quarter wavelength transformers is well known, the current electrical performance of such microwave devices has been pushing the waveguide transformers design to its limit. For attending such level of requirements, and considering the number of existing variables on a waveguide transformer design, very accurate numerical techniques has been applied on its analyses, (such as FDTD, mode matching, etc), and optimization techniques as well. On the other hand, such numerical techniques are very memory and/or CPU/time consuming, which do not match with the cost objective of those simple concept transformers. This work proposes an alternative technique, based on close-form models derived from varational theory. A heuristic model is also proposed for attending the two plane transformer case, which can be easily applied for both homogeneous and inhomogeneous structures. Keywords Waveguide;

[pt] O tema abordado neste trabalho é a observação e análise, em regime permanente e dinâmico, da ocorrência de um fenômeno que já foi observado em condições reais de operação do sistema elétrico brasileiro, que é a relação oposta à usual entre a grandeza controlada e a grandeza controladora. Nestes caso, mesmo que haja margem de recursos para manter a tensão controlada, ela não é útil. Por exemplo, uma diminuição na relação de transformação num transformador de tapes variáveis, com intuito de aumentar a tensão controlada acaba por reduzí-la, até que os limites de troca de tapes sejam atingidos ou o sistema entre em colapso. Para demonstrar a existência do problema, foram executadas simulações, em regime permanente e dinâmico, e verificado o efeito do controle de tensão por um transformador com tapes variáveis e por compensadores estáticos de potência reativa, situações corriqueiras de um sistema de potência. Foram demonstradas situações em que foi possível verificar a mudança da região de operação. Para a análise em regime permanente foi utilizado um algoritmo de fluxo de carga, e para a análise dinâmica, uma simulação no domínio do tempo. Nas simulações envolvendo transformadores de tapes variáveis, foi possível verificar a existência o efeito reverso da ação de controle de tensão nas análises estática e dinâmica. Nas simulações utilizando o compensador estático de potência reativa houve divergência entre os resultados das duas análises. / [en] This work presents the observation and analysis, in steady state and dynamic performance, of the phenomenon already observed in real operation conditions of the Brazilian Electric System, which is the opposite relationship between the controlled value and the target value. In this case, even if the resources have margin to keep the voltage controlled, this is not useful. For example, the reduction in the turn ratio on load tap changer transformer, with the aim of increase in the controlled voltage, result in its reduction, until the tap changer limit is reached or the system is led to the collapse. To demonstrate the existence of this problem, steady state and dynamic performance simulations were done, and the voltage control effect by on load tap changer transformer and static var compensator , current situations in a power system. Several situations where is possible verify the operation region changing was demonstrated. For steady state analysis was used a load flow algorithm and, for the dynamic analysis, a time domain simulation. In the simulations with on load tap changer transformer, it was possible to verify the existence of the reverse effect of the voltage control action in the static and dynamic analysis. In the simulations using static var compensator, a divergence was found between the results in the two analyses.